FLUENT培训教材05湍流模型_精品文档.ppt

1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第五节：湍流模型安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China湍流模型简介n湍流的特征n从NS方程到雷诺平均NS模型（RANS）n雷诺应力和封闭问题n湍动能方程（k）n涡粘模型(EVM)n雷诺应力模型n近壁面处理及网格要求n进口边界条件n总结:湍流模型指南A Pera Global Company PERA China湍流的特征n湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的漩涡运动（脉动）的，湍流会加强混合、传热和剪切n时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），

2、但湍流脉动的统计平均可量化为输运机理n所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度）n对初场敏感A Pera Global Company PERA China湍流结构SmallStructuresLargeStructuresEnergy Cascade(after Richardson,1922)Injectionof energyDissipationof energyDissipating eddiesLarge-scale eddiesFlux of energyA Pera Global Company PERA China如何判断是否为湍流外流外流内流内流自然对流自然对流along

3、 a surfacearound an obstaclewherewhereOther factors such as free-stream turbulence,surface conditions,blowing,suction,and other disturbances etc.may cause transition to turbulence at lower Reynolds numbers(Rayleigh number)(Prandtl number)A Pera Global Company PERA China雷诺数的效果Re 3.51063105 Re 3.51064

4、0 Re 150150 Re 31055-15 Re 40 Re 5 湍流涡街，但涡间距离更近湍流涡街，但涡间距离更近边界层转捩为湍流边界层转捩为湍流 分离点前为层流边界层，尾迹为分离点前为层流边界层，尾迹为湍流湍流层流涡街层流涡街尾迹区有一对稳定涡尾迹区有一对稳定涡蠕动流（无分离）蠕动流（无分离）A Pera Global Company PERA China后台阶流瞬时速度分布 时间平均的速度分布 A Pera Global Company PERA China横风中的射流n左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。横风中的射流横风中的射流From Su and Mun

5、gal in Durbin and Medic(2008)A Pera Global Company PERA Chinan时间平均定义为 n瞬时场拆分为平均量和脉动量之和，如n对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程(RANS):雷诺平均方程和封闭问题Reynolds stress tensor,RijA Pera Global Company PERA China雷诺应力张量nRij 对称二阶应力;由对动量方程的输运加速度项平均得来n雷诺应力提供了湍流（随机脉动）输运的平均效应，是高度扩散的nRANS方程中的雷诺应力张量代表湍流脉动的混合和平均带来的光顺A Pera Global Com

6、pany PERA China封闭问题n为了封闭 RANS 方程组，必须对雷诺应力张量进行模拟涡粘模型(EVM)基于 Boussinesq假设，即雷诺应力正比于时均速度的应变，比例常数为涡粘系数（湍流粘性）雷诺应力模型(RSM):求解六个雷诺应力项（加上耗散率方程）的偏微分输运方程组Eddy viscosityA Pera Global Company PERA China涡粘模型n量纲分析表明，如果我们知道必要的几个尺度（如速度尺度、长度尺度），涡粘系数就可以确定出来例如，给定速度尺度和长度尺度，或速度尺度和时间尺度，涡粘系数就被确定，RANS方程也就封闭了只有非常简单的流动才能预测出这些尺

7、度（如充分发展的管流或粘度计里的流动n对一般问题，我们需要导出偏微分输运方程组来计算涡粘系数n湍动能k 启发了求解涡粘模型的物理机理A Pera Global Company PERA China涡粘模型n涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性 n涡粘系数不是流体的属性，是一个湍流的特征量，随着流体流动的位置而改变。n涡粘模型是CFD中使用最广泛的湍流模型n涡粘模型的局限基于各向同性假设，而实际有许多流动现象是高度各向异性的（大曲率流动，强漩流，冲击流动等）涡粘模型和流体旋转引起的雷诺应力项不相关平均速度的应变张量导出的雷诺应力假设不总是有效的A Pera Global Company PER

8、A ChinaFLUENT中的湍流模型RANS basedmodels一方程模型一方程模型 Spalart-Allmaras二方程模型二方程模型 Standard k RNG k Realizable k Standard k SST k4-Equation v2f*Reynolds Stress Modelkkl Transition ModelSST Transition ModelDetached Eddy SimulationLarge Eddy Simulation Increase inComputational Cost Per Iteration*A separate lice

9、nse is requiredA Pera Global Company PERA ChinaSpalart-Allmaras(S-A)模型nSA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解n主要应用于气动/旋转机械等流动分离很小的领域，如绕过机翼的超音速/跨音速流动，边界层流动等n是一个相对新的一方程模型，不需求解和局部剪切层厚度相关的长度尺度n为气动领域设计的，包括封闭腔内流动可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动在旋转机械方面应用很广n局限性不可用于所有类型的复杂工程流动不能预测各向同性湍流的耗散A Pera Global Company PERA Ch

10、ina标准 k 模型n选择 作为第二个模型方程，方程是基于现象提出而非推导得到的n耗散率和 k 以及湍流长度尺度相关:n结合 k 方程,涡粘系数可以表示为:A Pera Global Company PERA China标准 k 模型SKEnSKE 是工业应用中最广泛使用的模型模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型nSKE 局限性:对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精度不够。难以准备模拟出射流的传播对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大A Pera Global Company PERA

11、ChinaRealizable k和 RNG k 模型nRealizable k(RKE)模型耗散率()方程由旋涡脉动的均方差导出，这是和SKE的根本不同对雷诺应力项施加了几个可实现的条件 优势:精确预测平板和圆柱射流的传播对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更好的预测结果nRNG k(RNG)模型:k方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通过试验得到的，修正了耗散率方程在一些复杂的剪切流、有大应变率、旋涡、分离等流动问题比SKE 表现更好A Pera Global Company PERA China标准 k 和 SST kn标准 k(SKW)模型:在粘性子层中，

12、使用稳定性更好的低雷诺数公式。k包含几个子模型：压缩性效应，转捩流动和剪切流修正对反压力梯度流模拟的更好SKW 对自由来流条件更敏感在气动和旋转机械领域应用较多nShear Stress Transport k(SSTKW)模型SST k 模型混合了 和模型的优势，在近壁面处使用k模型，而在边界层外采用 k 模型包含了修正的湍流粘性公式，考虑了湍流剪切应力的效应SST 一般能更精确的模拟反压力梯度引起的分离点和分离区大小A Pera Global Company PERA China雷诺应力模型(RSM)n回忆一下涡粘模型的局限性:应力-应变的线性关系导致在应力输运重要的情况下预测不准，如非平

13、衡流动、分离流和回流等不能考虑由于流线曲度引起的额外应力作用，如旋转、大的偏转流动等当湍流是高度各向异性、有三维效应时表现较差n为了克服上述缺点，通过平均速度脉动的乘积，导出六个独立的雷诺应力分量输运方程RSM适合于高度各向异性流，三维流等，但计算代价大目前 RSMs 并不总是优于涡粘模型A Pera Global Company PERA China边界层一致性定律n近壁面处无量纲的速度分布图n对平衡的湍流边界层来说，半对数曲线的线性段叫做边界层一致性定律，或对数边界层y is the normal distancefrom the wall.Outer layerUpper limit o

14、f loglaw region dependson Reynolds numberViscous sublayerBufferlayer orblendingregionFully turbulent region(log law region)Inner layerA Pera Global Company PERA China近壁面处理n在近壁面处，湍流边界层很薄，求解变量的梯度很大，但精确计算边界层对仿真来说非常重要n可以使用很密的网格来解析边界层，但对工程应用来说，代价很大n对平衡湍流边界层，使用对数区定律能解决这个问题由对数定律得到的速度分布和壁面剪切应力，然后对临近壁面的网格单元设

15、置应力条件假设 k、在边界层是平衡的用非平衡壁面函数来提高预测有高压力梯度、分离、回流和滞止流动的结果对能量和组分方程也建立了类似的对数定律优势：壁面函数允许在近壁面使用相对粗的网格，减少计算代价A Pera Global Company PERA Chinainner layerouter layer近壁面网格要求n标准壁面函数，非平衡壁面函数:y+值应介于 30 到 300500之间网格尺度递增系数应不大于 1.2n加强壁面函数的选择：结合了壁面定律和两层区域模型适用于雷诺数流动和近壁面现象复杂的流动在边界层内层对k 模型修正一般要求近壁面网格能解析粘性子层(y+5,以及边界层内层有 10

16、15 层网格)A Pera Global Company PERA China近壁面网格尺寸预估n对平板流动，湍流摩擦系数的指数定律为：n壁面到第一层流体单元的中心点的距离(y)可以通过估计壁面剪切层的雷诺数来预估n类似的，对管流可以预估 y 为:(Bulk Reynolds number)(Hydraulic diameter)A Pera Global Company PERA China尺度化壁面函数n实际上，很多使用者难以保证 30 y+30500 n常规的壁面函数是精度的主要限制之一，壁面函数对近壁面网格尺寸很敏感，而且随着网格加密，精度不一定总是提高。同时，加强的壁面函数计算代价很高nScalable Wall Functions对 k 模型，尺度化壁面函数假设壁面和粘性子层的边界是一致的，因此，流体单元总是位于粘性子层之上，这样可以避免由于近壁面网格加密导致的不连续性(注意：k,SST 和 S-A 模型的近壁面是自动处理的，不能使用尺度化壁面函数）n通过 TUI 命令来运行/define/models/viscous/near-wall-treatment/scalabl